CN111313478A - 一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，包括：步骤S1，分析用于衡量可再生能源输出功率波动程度的指标，基于再生能源输出功率的最大波动率，选取平滑目标；步骤S2，对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换；步骤S3，确定储能系统补偿频段；步骤S4，确定储能系统的额定容量；步骤S5，根据已获得的储能系统额定容量，确定储能系统初始荷电状态。本发明能确定能够满足连续循环运行的储能系统的容量，确定储能系统初始荷电状态及进行容量校验。该方法能在可再生能源接入电网的情况下，平抑可再生能源系统输出功率波动。

Description

一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法

技术领域

本发明涉及一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，属于电力系统需求响应技术领域。

背景技术

近年来，可再生能源发电在电力调度的排序中具有越来越重要的地位。但是风力发电、光伏发电的波动性和间歇性特点使得风电、光伏并网时必须考虑到与常规电源、储能设施的互济来抵抗其反调峰效应。微电网具有运行方式灵活的优点，它既可以与主电网并联运行交换电能，也可以独立地为当地负荷提供电力支持。然而微电网中风力发电和光伏发电的间歇性、随机性及波动性仍然未能妥善解决，其造成的电压波动与闪变等问题制约着微电网的深度发展，随着微电网规模的不断增加，它们给电网的安全可靠运行造成的威胁也越来越大。

储能系统凭借其可充可放的特性为上述微电网面临的众多问题提供了一个理想的解决方案，当微电网内的能量过剩时，储能系统充电将能量存储起来；当微电网中能量有缺额时，储能装置将存储的能量释放出来满足供电需求。储能系统引入的能量存储技术，不仅能够更加有效地利用现有电力设备，充分发挥其应用价值以降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，提高微电源的性能与发电功率的消纳，同时也可作为提高系统运行稳定性、调整局部电压水平、平抑负荷波动的重要方法。储能技术作为保障供电可靠性和微电网效率的有效途径，已经成为促进可再生能源应用与消纳和提高配电网电能质量的重要手段。

目前国内外学者对应用于微电网的储能容量优化计算方法并不多见，但针对大型风力发电厂或光伏电站的储能配置方法已有大量研究，这些研究可以为微电网中储能容量的确定提供研究思路和借鉴依据。总的来说可分为2种：①不限制有功出力大小但限制其变化的速度；②制定各个时段可再生能源发电站的计划出力曲线并进行考核。相应地，建立在可再生能源发电站一侧的储能系统，按其控制目标也可分为2类：

目标1：配合风力发电或光伏发电有功输出，平滑其功率波动，从而减小对电网的冲击；

目标2：结合可再生能源发电预测，使其出力按照预测曲线推进，从而实现计划发电。

由于目前对可再生能源储能配置研究较少，对生产实践无法指导，本发明研究了并网运行微电网中储能用于平滑可再生能源输出功率波动场景下的容量配置方法。利用离散傅里叶变换和逆变换对可再生能源的出力进行滤波，高频部分由储能系统吸收消纳，低频部分即为微电网的平滑输出功率。考虑储能系统的充放电效率和荷电状态的限制，确定能够满足连续循环运行的储能系统的容量。并进一步研究平滑时间尺度和功率波动限值对储能容量的影响，在此基础上制定合理的平滑时间尺度和功率波动限值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，解决现有技术中存在的可再生能源储能无法配置的技术问题，本发明在并网运行微电网中储能用于平滑可再生能源输出功率波动场景下，给出了容量配置方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，包括：

步骤S1，分析用于衡量可再生能源输出功率波动程度的指标，基于再生能源输出功率的最大波动率，选取平滑目标；

步骤S2，对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换；

步骤S3，确定储能系统补偿频段；

步骤S4，确定储能系统的额定容量；

步骤S5，根据已获得的储能系统额定容量，确定储能系统初始荷电状态。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，

所述步骤S1为：利用方差和标准差衡量可再生能源输出功率波动程度，计算方法分别如下式所示：

式中，p_i，i＝1,2,…,n表示第i时刻可再生能源输出功率值，单位为kW；

表示观测时间窗口内可再生能源输出功率的平均值；S²为观测时间窗口内可再生能源输出功率的方差，σ为观测时间窗口内可再生能源输出功率的标准差；

观测时段内最大功率波动值P_flu,max用于表示可再生能源输出功率的波动大小：

P_flu,max＝max(p₁,p₂,...,p_n)-min(p₁,p₂,...,p_n)

基于P_flu,max，定义观测时间窗口T(分钟)内可再生能源输出功率的最大波动率I_flu,T，

式中，P_flu,max表示观测时间窗口T内可再生能源输出功率的最大波动值，单位为kW；P_install表示可再生能源发电系统的额定装机功率，单位为kW；I_flu,T为时间观测时间窗口T内可再生能源输出功率的最大波动率，单位为％；平滑目标为I_flu,T最小化，即接近于零。

前述一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，所述步骤S2为：对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换，

式中：P_G＝[P_G(1),…,P_G(i),…,P_G(N)]^T，表示可再生能源出力样本数据；P_G(i)表示第i个采样时刻的输出功率值，单位为kW；N为总采样点个数；F(P_G)表示对出力数据P_G进行离散傅里叶变换；A_G(i)＝R_G(i)+jI_G(i)，为傅里叶变换结果中第i个频率点f(i)对应的幅值；R_G(i)、I_G(i)分别为相应幅值的实部与虚部；f_G为与A_G对应的频率列向量；

式中f_s为可再生能源出力样本数据P_G的采样频率，单位为Hz；T_s为采样周期，单位为s；结合离散傅里叶变换数的特点和采样定理可知，A_G以乃奎斯特频率f_Nyquist＝f_s/2(即频谱分析最高分辨率)为对称轴成轴对称，f_Nyquist两侧的复数向量互为共轭，因而只要考虑0至f_Nyquist频段内的幅值与频率特性即可。

前述一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，所述步骤S3为：确定满足给定功率波动约束的储能系统吸收高频功率部分：

设f_c1为由频谱分析确定储能系统应吸收的高频功率部分的截止频率，则[f_c1,f_Nyquist]即为储能系统吸收高频频段；相应地[f_Nyquist,f_c2]是以乃奎斯特频率为对称轴与其对称的频段，二者宽度相等；用A_target＝[A_target(1),…,A_target(i),…,A_target(N)]^T表示经储能系统补偿后的联合目标功率输出所对应的频谱幅值，则

即将储能系统补偿频率范围内各频率点对应的幅值置零，代表消除了该频率范围内的功率波动，其余频率点对应的幅值不做任何改变，然后对A_target进行离散傅里叶逆变换以获得储能系统平滑后的系统联合目标功率输出P_target：

P_target＝F^-1(A_target)＝[P_target(1),...,P_target(i),...,P_target(N)]^T

式中：F^-1(A_target)表示对A_target进行离散傅里叶逆变换；P_target(i)表示第i个采样时刻的输出功率目标值，单位为kW。

前述一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，所述步骤S4中为：在已知储能系统实际输出功率值P_ES(i)的基础上，对每个采样点处储能系统的充放电电量进行累加，以获得各个采样时刻储能系统的存储能量波动，即

式中E_ES,remain(i)表示储能系统在第i个采样时刻相对于起始时刻的能量变化，即前i个采样周期内储能系统累计充电和放电能量的代数和，单位为kWh；起始时刻储能系统的剩余电量用E_ES,remain(0)表示；T_s为采样周期；

考虑到储能系统的荷电状态约束，以及储能系统在运行周期对应时间内能量波动，可以获得储能系统所应具备的最小容量，亦即储能系统额定容量值：

式中SOC_up和SOC_low分别表示储能系统运行过程中荷电状态的上限和下限，对于理想的储能装置，SOC_up＝0.95，SOC_low＝0.05；但实际中储能系统运行时应当避免过充、过放对储能系统的使用寿命造成影响；max{E_ES,remain}、max{E_ES,remain}分别代表整个运行周期内储能系统存储能量的最大值和最小值，max{E_ES,remain}-max{E_ES,remain}则表示整个运行周期内储能系统最大能量变化的绝对值。

前述一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，所述步骤S5为：

在获得储能系统的额定容量之后，通过考察储能系统运行时荷电状态的变化范围来检验所求容量能否满足要求；荷电状态表征了储能系统剩余电量水平，各个时刻储能系统的荷电状态表示为：

式中：SOC(0)为储能系统起始时刻的荷电状态；SOC(i)为第i个时刻储能系统的荷电状态值；若储能系统容量满足需求，则任意时刻荷电状态都必须在给定的约束范围内，则有

式中SOC_min和SOC_max分别为储能系统运行时最高和最低的荷电状态；

荷电状态的初始值计算公式，E_ES,remain(0)为起始时刻储能系统的剩余电量：

E_ES,remain(0)＝SOC(0)·E_ESN。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能确定能够满足连续循环运行的储能系统的容量，确定储能系统初始荷电状态及进行容量校验，该方法能在可再生能源接入电网的情况下，平抑可再生能源系统输出功率波动。并制定合理的平滑时间尺度和功率波动限值，避免对储能容量的影响。

附图说明

图1所示为本发明的基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法的流程图；

图2所示为本发明实施例仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其方法流程如图1所示，由图1可知，该方法包括：

步骤S1，分析用于衡量可再生能源输出功率波动程度的指标，考虑再生能源输出功率的最大波动率，选取合适的平滑目标；

步骤S2，对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换；

步骤S3，确定满足给定功率波动约束的储能系统吸收高频功率部分；

步骤S4，确定储能系统的额定容量；

步骤S5，结合已获得的储能系统额定容量，确定储能系统初始荷电状态及容量校验。

进一步地，所述步骤S1中具体为：分析用于衡量可再生能源输出功率波动程度的指标，考虑再生能源输出功率的最大波动率，选取合适的平滑目标。

利用方差和标准差衡量可再生能源输出功率波动程度，计算方法分别如下式所示。

式中，p_i(i＝1,2,…,n)表示第i时刻可再生能源输出功率值，单位kW；

表示观测时间窗口内可再生能源输出功率的平均值；S²为观测时间窗口内可再生能源输出功率的方差，σ为标准差。

其次，观测时段内最大功率波动值P_flu,max直观上给出了可再生能源输出功率的波动大小：

P_flu,max＝max(p₁,p₂,...,p_n)-min(p₁,p₂,...,p_n)

在此基础上，本发明定义了观测时间窗口T min内可再生能源输出功率的最大波动率，

式中，P_flu,max表示时间T内可再生能源输出功率的最大波动值，单位kW；P_install表示可再生能源发电系统的额定装机功率，单位kW；I_flu,T为时间T内可再生能源输出功率的最大波动率，单位％。平滑目标为I_flu,T最小化。,

进一步地，所述步骤S2中具体为：对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换。

式中：P_G＝[P_G(1),…,P_G(i),…,P_G(N)]^T，表示可再生能源出力样本数据；P_G(i)表示第i个采样时刻的输出功率值，单位kW；N为总采样点个数；F(P_G)表示对出力数据P_G进行离散傅里叶变换；A_G(i)＝R_G(i)+jI_G(i)，为傅里叶变换结果中第i个频率点f(i)对应的幅值；R_G(i)、I_G(i)分别为相应幅值的实部与虚部；f_G为与A_G对应的频率列向量。

式中f_s为可再生能源出力样本数据P_G的采样频率，单位Hz；T_s为采样周期，单位s。结合离散傅里叶变换数的特点和采样定理可知，A_G以乃奎斯特频率f_Nyquist＝f_s/2(即频谱分析最高分辨率)为对称轴成轴对称，f_Nyquist两侧的复数向量互为共轭，因而只要考虑0至f_Nyquist频段内的幅值与频率特性即可。

进一步地，所述步骤S3中具体为：确定满足给定功率波动约束的储能系统吸收高频功率部分。

假如f_c1为由频谱分析确定储能系统应吸收的高频功率部分的截止频率，则[f_c1,f_Nyquist]即为储能系统吸收高频频段。相应地[f_Nyquist,f_c2]是以乃奎斯特频率为对称轴与其对称的频段，二者宽度相等。若用A_target＝[A_target(1),…,A_target(i),…,A_target(N)]^T表示经储能系统补偿后的联合目标功率输出所对应的频谱幅值，则

即将储能系统补偿频率范围内各频率点对应的幅值置零，代表消除了该频率范围内的功率波动，其余频率点对应的幅值不做任何改变。然后对A_target进行离散傅里叶逆变换就可以获得储能系统平滑后的系统联合目标功率输出P_target：

P_target＝F^-1(A_target)＝[P_target(1),...,P_target(i),...,P_target(N)]^T

式中：F^-1(A_target)表示对A_target进行离散傅里叶逆变换；P_target(i)表示第i个采样时刻的输出功率目标值，单位kW。

进一步地，所述步骤S4中具体为：确定储能系统的额定容量。

在已知储能系统实际输出功率值的基础上，只需对每个采样点处储能系统的充放电电量进行累加，就可以获得各个采样时刻储能系统的存储能量波动，即

式中E_ES,remain(i)表示储能系统在第i个采样时刻相对于起始时刻的能量变化，也就是前i个采样周期内储能系统累计充电和放电能量的代数和，单位kWh。起始时刻储能系统的剩余电量用E_ES,remain(0)表示。

考虑到储能系统的荷电状态约束，加之储能系统在运行周期对应时间内的能量波动，则可以获得储能系统所应具备的最小容量，亦即储能系统额定容量值：

式中SOC_up和SOC_low分别表示储能系统运行过程中荷电状态的上限和下限，对于理想的储能装置，SOC_up＝0.95，SOC_low＝0.05。但实际中储能系统运行时应当避免过充、过放对储能系统的使用寿命造成影响，SOC_up和SOC_low应适当在[0,1]内取值；max{E_ES,remain}、max{E_ES,remain}分别代表整个运行周期内储能系统存储能量的最大值和最小值，显然，max{E_ES,remain}-max{E_ES,remain}则表示整个运行周期内储能系统最大能量变化的绝对值。

进一步地，所述步骤S5中具体为：结合已获得的储能系统额定容量，确定储能系统初始荷电状态及容量校验。

在获得储能系统的额定容量之后，可以通过考察储能系统运行时荷电状态的变化范围来检验所求容量能否满足要求。荷电状态表征了储能系统剩余电量水平，各个时刻储能系统的荷电状态可表示为：

式中：SOC(0)为储能系统起始时刻的荷电状态；SOC(i)为第i个时刻储能系统的荷电状态值。若储能系统容量满足需求，则任意时刻荷电状态都必须在给定的约束范围内，则有

式中SOC_min和SOC_max分别为储能系统运行时最高和最低的荷电状态。

荷电状态的初始值计算公式，E_ES,remain(0)为起始时刻储能系统的剩余电量：

E_ES,remain(0)＝SOC(0)·E_ESN

本发明实施仿真结果如图2所示，经平滑输出目标后，可再生能源发电系统输出功率波动明显减小，体现了本发明的优势。

本实施例选取

即储能系统的配置可以使得平滑后的系统联合功率输出在时间窗口T内的最大波动率不超10％，本实施例以T＝20为例确定所需的储能功率与容量。可再生能源发电系统(包括光伏发电和风力发电)输出功率的最大功率为707.02kW，最小功率为0kW，平均功率为125.84kW；任意20分钟最大波动率

为33.66％。储能系统的综合充放电效率η_ES取86％，假定充、放电效率相等，即为92.74％；如图所示，储能优化配置后，发电系统输出波动明显减小，高频信号也减少。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

步骤S1，分析用于衡量可再生能源输出功率波动程度的指标，基于再生能源输出功率的最大波动率，选取平滑目标；

步骤S2，对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换；

步骤S3，确定储能系统补偿频段；

步骤S4，确定储能系统的额定容量；

步骤S5，根据已获得的储能系统额定容量，确定储能系统初始荷电状态。

2.如权利要求1所述的一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其特征在于，所述步骤S1为：利用方差和标准差衡量可再生能源输出功率波动程度，计算方法分别如下式所示：

式中，p_i，i＝1,2,…,n表示第i时刻可再生能源输出功率值，单位为kW；

表示观测时间窗口内可再生能源输出功率的平均值；S²为观测时间窗口内可再生能源输出功率的方差，σ为观测时间窗口内可再生能源输出功率的标准差；

观测时段内最大功率波动值P_flu,max用于表示可再生能源输出功率的波动大小：

P_flu,max＝max(p₁,p₂,...,p_n)-min(p₁,p₂,...,p_n)

基于P_flu,max，定义观测时间窗口T(分钟)内可再生能源输出功率的最大波动率I_flu,T，

式中，P_flu,max表示观测时间窗口T内可再生能源输出功率的最大波动值，单位为kW；P_install表示可再生能源发电系统的额定装机功率，单位为kW；I_flu,T为时间观测时间窗口T内可再生能源输出功率的最大波动率，单位为％；平滑目标为I_flu,T最小化。

3.如权利要求1所述的一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其特征在于，所述步骤S2为：对可再生能源出力样本数据进行离散傅里叶变换，

式中：P_G＝[P_G(1),…,P_G(i),…,P_G(N)]^T，表示可再生能源出力样本数据；P_G(i)表示第i个采样时刻的输出功率值，单位为kW；N为总采样点个数；F(P_G)表示对出力数据P_G进行离散傅里叶变换；A_G(i)＝R_G(i)+jI_G(i)，为傅里叶变换结果中第i个频率点f(i)对应的幅值；R_G(i)、I_G(i)分别为相应幅值的实部与虚部；f_G为与A_G对应的频率列向量；

式中f_s为可再生能源出力样本数据P_G的采样频率，单位为Hz；T_s为采样周期，单位为s；A_G以乃奎斯特频率f_Nyquist＝f_s/2为对称轴成轴对称，f_Nyquist两侧的复数向量互为共轭。

4.如权利要求1所述的一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其特征在于，所述步骤S3为：确定满足给定功率波动约束的储能系统吸收高频功率部分：

设f_c1为由频谱分析确定储能系统应吸收的高频功率部分的截止频率，则[f_c1,f_Nyquist]即为储能系统吸收高频频段；相应地[f_Nyquist,f_c2]是以乃奎斯特频率为对称轴与其对称的频段，二者宽度相等；用A_target＝[A_target(1),…,A_target(i),…,A_target(N)]^T表示经储能系统补偿后的联合目标功率输出所对应的频谱幅值，则

即将储能系统补偿频率范围内各频率点对应的幅值置零，代表消除了该频率范围内的功率波动，其余频率点对应的幅值不做任何改变，然后对A_target进行离散傅里叶逆变换以获得储能系统平滑后的系统联合目标功率输出P_target：

P_target＝F^-1(A_target)＝[P_target(1),...,P_target(i),...,P_target(N)]^T

式中：F^-1(A_target)表示对A_target进行离散傅里叶逆变换；P_target(i)表示第i个采样时刻的输出功率目标值，单位为kW。

5.如权利要求1所述的一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其特征在于，所述步骤S4中为：在已知储能系统实际输出功率值P_ES(i)的基础上，对每个采样点处储能系统的充放电电量进行累加，以获得各个采样时刻储能系统的存储能量波动，即

式中E_ES,remain(i)表示储能系统在第i个采样时刻相对于起始时刻的能量变化，即前i个采样周期内储能系统累计充电和放电能量的代数和，单位为kWh；起始时刻储能系统的剩余电量用E_ES,remain(0)表示；T_s为采样周期；

考虑到储能系统的荷电状态约束，以及储能系统在运行周期对应时间内能量波动，可以获得储能系统所应具备的最小容量，亦即储能系统额定容量值：

式中SOC_up和SOC_low分别表示储能系统运行过程中荷电状态的上限和下限，max{E_ES,remain}、max{E_ES,remain}分别代表整个运行周期内储能系统存储能量的最大值和最小值，max{E_ES,remain}-max{E_ES,remain}表示整个运行周期内储能系统最大能量变化的绝对值。

6.如权利要求1所述的一种基于功率平滑的可再生能源储能优化配置方法，其特征在于，所述步骤S5为：

在获得储能系统的额定容量之后，通过考察储能系统运行时荷电状态的变化范围来检验所求容量能否满足要求；荷电状态表征了储能系统剩余电量水平，各个时刻储能系统的荷电状态表示为：

式中：SOC(0)为储能系统起始时刻的荷电状态；SOC(i)为第i个时刻储能系统的荷电状态值；若储能系统容量满足需求，则任意时刻荷电状态都必须在给定的约束范围内，则有

式中SOC_min和SOC_max分别为储能系统运行时最高和最低的荷电状态；

荷电状态的初始值计算公式，E_ES,remain(0)为起始时刻储能系统的剩余电量：

E_ES,remain(0)＝SOC(0)·E_ESN。

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